Simulazione numerica e validazione di esperimenti di retropropulsione supersonica = Numerical simulation and validation of supersonic retro-propulsion experiments

L’inevitabile incremento del payload necessario per le future missioni su Marte rende necessaria l’introduzione di sistemi di decelerazione innovativi, quali ad esempio gli Inflatable Aerodynamic Device (IAD) o la retropropulsione supersonica (SRP). Quest’ultima, che può presentare una configurazione single o peripheral nozzle, prevede l’accensione di thruster quando il veicolo si trova ancora a Mach maggiori dell’unità, determinando una forza di decelerazione totale dovuta sia alla spinta dei getti che alla resistenza aerodinamica agente. L’obiettivo di questa trattazione è quello di presentare la simulazione numerica della SRP, effettuando la validazione dei risultati mediante il confronto con i dati sperimentali del Nasa Langley Research Center del 2010. Nei capitoli introduttivi viene fornita una panoramica sui sistemi di entry, descent and landing (EDL) impiegati durante il rientro in atmosfera marziana. Si andranno ad evidenziare dunque le sfide principali che si incontrano in fase di design, dovute soprattutto alla necessità di decelerare il veicolo in una finestra temporale molto ristretta, a causa dell’elevata rarefazione dell’atmosfera, ed i limiti delle soluzioni attuali. Dopo una prima descrizione del setup sperimentale ed un’analisi dei risultati ottenuti si procede con la simulazione numerica. Innanzitutto, si riporta il caso con ugello centrale: Il campo di moto prevede un meccanismo di sfilamento di vortici dal punto triplo che, propagando verso valle, impattano sul forebody e vengono riflessi, perturbando il jet plume. Il setup numerico vede lo studio di un caso assialsimmetrico, con l’implementazione di tre diverse griglie, con diverso raffinamento, e di tre diversi modelli, laminare, k-ω e Spalart-Allmaras. La capacità del codice di descrivere la generazione ed il trasporto delle onde di pressione influenza in modo diretto la distribuzione di Cp sulla superficie ed il conseguente accordo con i dati sperimentali. In particolare, l’effetto della mesh o del modello implementato risulta tanto più evidente quanto maggiore è il coefficiente di spinta CT. Segue quindi una simulazione mediante un modello 3D, per verificare l’effettiva assialsimmetria del flusso. Si analizza, infine, una configurazione con tre ugelli, disposti a 120°. Nonostante la forte instazionarietà del campo di moto, che risulta ben più complesso rispetto al caso precedente, la distribuzione di Cp ottenuta risulta nuovamente in linea con i valori di galleria. In conclusione, le diverse simulazioni condotte riportano dei risultati incoraggianti, sia nel confronto code-to-test che code-to-code, gettando le basi per gli step successivi, che vedranno l’introduzione di gas caldi ed un’analisi delle prestazioni che diverse geometrie della capsula possono garantire, sia in termini di decelerazione che di stabilità.